documento de tesis - repositorio.uniandes.edu.co
TRANSCRIPT
EXPLORAC ION SO BRE LA S INTES IS Y C ARAC TERIZAC IO N DE NANOTUBO S DE CARBO NO DE PARED SENCILLA
PRO YEC TO DE GRADO
DIANA CONSUELO RODRIGUEZ BURBANO
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FAC ULTAD DE ING ENIERIA
DEPARTAMEN TO DE INGENIERIA Q UIMIC A BO GO TA, D.C.
2007
EXPLORAC ION SO BRE LA S INTES IS Y C ARAC TERIZAC IO N DE NANOTUBO S DE CARBO NO DE PARED SENCILLA
Diana Consuelo Rodríguez Burbano
Proyecto de grado para optar al titulo de Ingeniera Química
ASESORES Rigoberto Gómez Gabriel Camargo
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FAC ULTAD DE ING ENIERIA DEPARTAMEN TO DE INGENIERIA Q UIMIC A
BO GO TA, D.C. 2007
AGRADEC IMIENTO S
El desarrollo de este proyecto contó con el apoyo de muchas personas a quienes deseo
expresarles mi agradecimiento:
Al profesor Rigoberto Gómez Cruz, asesor del proyecto, por su orientación, apoyo,
paciencia y colaboración durante todas las etapas del proyecto.
Al profesor Gabr iel Camargo, asesor del proyecto, por su orientación y colaboración
durante el proyecto.
A todo el personal que pertenece al Departamento de Química, por su colaboración,
atención y disponibilidad.
A mi mamá, quien siempre tiene palabras de aliento, buenos consejos y mucho cariño
para mí.
A mi papá, quien me enseño la clave del éxito: la constancia, dedicación y la
responsabilidad en todos los aspectos de la vida.
A mi familia, quienes siempre me hacen sentir su apoyo y cariño.
A Jonathan, por ser apoyo, seguridad y ánimo en todo momento.
A mis amigas, quienes me acompañaron e impulsaron durante todo el proyecto.
TAB LA DE CO NTENIDO
PAG
1. INTRODUCCIÓN 9 2. OBJETIVO S 11
2.1 OBJETIVO GENERAL 11 2.2 OBJETIVO ESPECIFICO 11
3. MARCO TEÓRICO 12 3.1 GENERALIDADES 12 3.2 MÉTODOS DE SÍNTESIS 14 3.2.1 Descarga de arco utilizando electrodos de grafito 15 3.2.2 Ablación láser 15 3.2.3 Síntesis pirolítica 16 3.2.4 Desproporcionamiento de monóxido de carbono 17 3.3 SELECCIÓN DEL P ROCEDIMIENTO 17 3.4 METODOS DE CARACTERIZACION 18 3.5 PROPIEDADES ELECT RICAS Y MECANICAS 20 3.6 PRODUCCION INDUSTRIAL DE NANOTUBOS DE 22 CARBONO DE PARED SENCIILLA
4. METO DO LOGIA EXP ERIMENTAL 23 4.1 PREPARACION DEL CATALIZADOR 25 4.2 CARACTERIZACION DEL CATALIZADOR 25 4.2.1 Espectroscopia de infrarrojo 26 4.2.2 Difracción de Rayos-X 27 4.3 PROCEDIMIENTO DE SINTESIS DE NANOTUSO DE 28 CARBONO DE PARED SENCILLA 4.4 CARACTERIZACION DE NANOTUBOS DE CARBONO 29 DE PARAD SENCILLA 4.4.1 Espectroscopia de infrarrojo 29 4.4.2 Difracción de Rayos-X 29 4.4.3 Microscop ia electrónica de barrido 30
5. RESULTADOS 31 5.1 PRUEBA DE SOLUBILIDAD 31 5.2 SELECCIÓN DE LAS MUEST RAS A CARACTERIZAR 32 5.3 ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO 32 5.3.1 Catalizador 33 5.3.2 Nanotubos de carbono de pared sencilla 34 5.4 DIFRACCION DE RAYOS X 35 5.4.1 Catalizador 35 5.4.2 Nanotubos de carbono de pared sencilla 36
5.5 CALCULO DEL DIAMET RO AP ROXIMADO DE LOS 37 NANOTUBOS DE CARBONO DE PARED SENCILLA 5.6 MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO 37
6. ANALISIS DE RESULTADOS 42 7. CO NC LUSIO NES 45 8. RECO MENDAC IO NES 46 9. REFERENCIAS 47
INDIC E DE TAB LAS
PAG Tabla 1. Definición de factores y niveles en la síntesis de nanotubos de 24 carbono de pared sencilla. Tabla 2. Matriz de experimentación. 24 Tabla 3. Señales del espectro infrarrojo del oxido de cobalto. 27 Tabla 4. Señales del espectro infrarrojo del oxido de molibdeno. 27 Tabla 5. Señales del difractograma del ox ido de cobalto. 28 Tabla 6. Resultados de la exper imentación de síntesis de nanotubos de 31 carbono de pared sencilla. Tabla 7. Resultados de la exper imentación de síntesis de nanotubos de 32 carbono de pared sencilla. Tabla 8. Angulo de los p icos de mayor intensidad en el difractograma 35 del catalizador. Tabla 9. Ángulos pertenecientes a las señales de mayor intensidad 37 en el difractograma de los nanotubos de carbono. Tabla 10. Diámetro de los nanotubos de carbono de pared sencilla. 37
INDIC E DE FIGURAS
PAG
Figura 1. Estruct ura de los carbinos. 12 Figura 2. Formas estruct urales del graf ito. 13 Figura 3. Formas estruct urales del diamante. 13 Figura 4. Estruct ura de los nanotubos de carbono. 14 Figura 5. Diagrama de bloques para el procedimiento de preparación 17 del catalizador. Figura 6. Espectro infrarro jo teórico para el ox ido de cobalto. 26 Figura 7. Espectro infrarro jo teórico para el ox ido de molibdeno. 26 Figura 8. Difractograma teórico para el ox ido de cobalto. 27 Figura 9. Diagrama de f lujo para la síntesis de nanot ubos de 28 carbono de pared sencilla. Figura 10. Imagen del microscopio electrónico de barrido 30 PHILIPS XL30 ESEM. Figura 11. Espectro infrarro jo del catalizador. 33 Figura 12. Espectro infrarro jo para los nanotubos de carbono de 34 pared sencilla. Figura 13. Difractograma del catalizador. 35 Figura 14. Difractograma de nanot ubos de carbono sintetizado a 700°C 36 con 0.06 g/cm2 de catalizador y 2 horas de reacción. Figura 15. Difractograma de nanot ubos de carbono sintetizado a 700°C 36 con 0.06 g/cm2 de catalizador y 4 horas de reacción. Figura 16. Micrograf ía de nanotubos de carbono sintetizado a 700°C 38 con 0.06 g/cm2 de catalizador y 2 horas de reacción. Figura 17. Micrograf ía de nanotubos de carbono sintetizado a 700°C 38 con 0.06 g/cm2 de catalizador y 2 horas de reacción.
Figura 18. Micrograf ía de nanotubos de carbono sintetizado a 700°C 39 con 0.06 g/cm2 de catalizador y 4 horas de reacción. Figura 19. Micrograf ía de nanotubos de carbono sintetizado a 700°C 39 con 0.06 g/cm 2 de catalizador y 4 horas de reacción. Figura 20. Micrograf ía de nanotubos de carbono sintetizado a 800°C 40 con 0.06 g/cm 2 de catalizador y 1 hora de reacción. Figura 21. Micrograf ía de nanotubos de carbono sintetizado a 800°C 40 con 0.052 g/cm2 de catalizador y 1 hora de reacción. Figura 22. Micrograf ía de nanotubos de carbono sintetizado a 800°C 41 con 0.052 g/cm2 de catalizador y 1 hora de reacción. Figura 23. Micrograf ía de nanotubos de carbono sintetizado a 800°C 41 con 0.052 g/cm2 de catalizador y 1 hora de reacción. Figura 24. Difractograma de una forma estructurada de carbono: graf ito. 44
9
1. INTRODUCCION
Los nanot ubos son estructuras en las cuales se basa el desarrollo de nuevos productos
para la industria química.
Sus particulares propiedades mecán icas y eléctricas permiten emplearlos en la
manufact ura de productos con usos en las industrias eléctricas, tal como la construcción
de de transistores de alto rendimiento; en la fabricación de automóviles, ya que nuevos
materiales formados con nanotubos permiten generar carrocerías mas resistentes y mas
ligeras; y específicamente los basados en carbono son empleados en celdas de
combustible, almacenamiento de energía, disipación térmica, en la fabricación de filtros
con la capacidad de remover contaminantes a escala micro y nano del agua e
hidrocarburos pesados del petróleo 1; e incluso usos en la medicina, ya que con la fuerza,
flexibilidad y poco peso que presentan, son usados como andamios capaces de soportar
huesos, hecho utilizado en el tratamiento de personas que sufren de osteoporosis2.
Sin embargo la síntesis de nanotubos enfrenta limitaciones técnicas (complejidad del
procedimiento exper imental, costos de reactivos y operación) en lo referente al montaje
experimental y su manipulación; tal es el caso de los procedimientos por ablación láser,
por descarga de arco o por deposición química. Tras su síntesis, la determinación de sus
propiedades y, por lo tanto, la estimación de sus potenciales aplicaciones se realiza a
través de procedimientos en que se emplean la microscopia electrónica de barrido, la
microscopia electrónica de transmisión, lo espectros RAM AN y la fluorescencia3.
1 Avances tecnológicos. La utilización de nanotubos d e carbono para crear filtros . Recuperado el 25
de febrero d e 2007 , d e la pagina: http://www.euroresidentes.co m/ Blogs/avan ces_tecnologicos/2004/08/la-utilizacin-de-nanotubos-de-carbn .htm
2 Avances tecnológicos . Nanotubos y medicina. Recup erado el 25 de febrero de 2007 de la pagina:
http://www.euroresidentes.co m/ Blogs/nanotecnologia/2005/07/nanotubos-y-medicina.ht ml 3 Referencia [17], [18 ] y [19].
10
A través, de este proyecto y la investigación realizada sobre el mismo, se determinó un
procedimiento de producción de este material adecuado para la infraestruct ura de la
Universidad de los Andes. Los resultados experimentales obtenidos fueron
posteriormente caracterizados con el f in de determinar cual seria el mejor uso del
material sintetizado en la un iversidad.
En consecuencia, el presente proyecto afrontó la síntesis de nanotubos de carbono y su
caracterización a través de procedimientos sencillos. En este sentido, las fases
experimentales del proyecto aportaron la aprop iación de las técnicas de síntesis y
caracterización.
11
2. OBJETIVOS
2.1 GENERAL
Establecer un procedimiento de síntesis, y posterior medición de diámetro y
longitud de nanotubos de carbono de pared sencilla para el planteamiento de
posibles usos de este material en la industria química.
2.2 ESPECÍFICOS
• Construir una base de datos sobre referencias bibliográficas que contengan
información sobre síntesis y caracterización de nanot ubos de una sola pared.
• Establecer el protocolo experimental de síntesis de nanot ubos de pared
sencilla, mas adecuado a la infraestructura soportada por la universidad.
• Plantear un diseño experimental que permita determinar la inf luencia de
factores establecidos sobre la síntesis de nanotubos de carbono de pared
sencilla.
• Sintetizar y caracterizar nanotubos de carbono de pared sencilla, con el fin
de determinar las características del material elaborado.
12
3. MARCO TEÓRICO
3.1 GENERALIDADES El carbono es un elemento que posee la habilidad de asumir una gran variedad de
estructuras y formas. Estas últimas dependen del tipo de hibridación que presenten
los orbitales atómicos formándose enlaces químicos entre los átomos de carbono.
Entre las hibridaciones más comunes del carbono se destacan [1]:
• Hibridación sp: En este tipo de h ibridación se da lugar a la formación de
cadenas en las cuales un átomo de carbono se enlaza a otros dos por medio
de un en lace triple y un enlace sencillo. Esta estructura poco común recibe
el nombre de carbino. Estas cadenas pueden ser abiertas o cíclicas.
Figura 1 . Estructura de los carbinos. Imagen tomada d e:
http://www.oviedo.es/personales/carbon/estru cturas/estructuras .htm
• Hibridación sp2: En este tipo de hibridación un átomo de carbono se une a
otros tres de la misma especie dando a lugar a la formación de láminas
planas de anillos. Dependiendo de la forma en que se o organizan estas
placas se puede dar la formación del grafito hexagonal (forma
termodinámicamente estable) o a el grafito romboédr ico (forma termodinámicamente inestable).
13
Figura 2. Formas estructural es del grafito. Imagen to mada de:
http://www.oviedo.es/personales/carbon/estru cturas/estructuras .htm
• Hibridación sp3: En este tipo de hibridación un átomo de carbono se une a
otros cuatro de la misma especie química dando una estructura
tridimensional. A esta forma se le conoce como diamante. Existen dos
formas de cristalización, el diamante cúbico y el diamante hexagonal.
Figura 3 . A. Diamante Cúbico B . Diamante Hexagonal. Imagen tomada d e: Imag en to mad a de:
http://www.oviedo.es/personales/carbon/estru cturas/estructuras .htm
Hacia el año de 1985 se descubrió un nuevo grupo de estructuras del carbono de
hibridación sp2, cuyo est udio dió inicio a la ciencia de los fullerenos. En esta forma los
átomos de carbono se enlazan formando hexágonos y pentágonos en estructuras
14
tridimensionales y cerradas. En 1991, se reportó la presencia de cilindros huecos
constituidos por una o más láminas de grafeno dobladas sobre un eje de simetría [2].
Figura 4. Estru ctura nanotubo de carbono. Imag en to mad a d e:
http://www.oviedo.es/personales/carbon/estru cturas/estructuras .htm
Estas estruct uras se clasifican de acuerdo al número de láminas que presenten. Si posee
sólo una, se conocen como nanotubos de carbono de pared sencilla (SWNT), si se
observa con más de una capa de grafeno se conoce como nanotubos de carbono de
pared múltiple (MWNT) [3].
3.2 MÉTODOS DE SÍNTESIS
La producción de nanot ubos de carbono de pared sencilla depende de la presencia de
catalizador en el proceso de síntesis. Si los procedimientos de síntesis se llevan a cabo
en ausencia de catalizador no habra presencia de nanotubos de pared sencilla, se
favorecerá a las especies cilíndricas de múltiples capas [1].
Los procedimientos de síntesis que se descr ibirán a continuación pueden ser empleados
para la producción de ambos tipos de nanotubos de carbono, es la presencia o no de
catalizador la que determina el tipo de estructura a sintetizar.
15
3.2.1 DESCARGA DE ARCO UTILIZANDO ELECT RODOS DE GRAFITO [1]
Este procedimiento consiste en la generación de un arco eléctrico por medio de una
corriente eléctrica continua (50-120 A) entre dos electrodos de carbono (El diámetro de
los electrodos de carbono puede var iar de 0.5-40 mm). Una atmósfera inerte a baja
presión de argón o nitrógeno debe encerrar al montaje experimental. A medida que el
ánodo se vapor iza, un depósito de material se forma en el cátodo, se reporta que este
material se compone de dos terceras partes de nanot ubos y una tercera parte de
nanopartículas.
Para asegurar la síntesis de nanotubos de carbono de pared sencilla, el cátodo debe
previamente cubr irse con catalizadores de tipo metálico tales como hierro (Fe), cobalto
(Co), níquel (Ni), galio (Ga) o itrio (Y).
La morfología de los SWNT producidos se descr ibe como tubos cuyo diámetro varia
0.7 -1.6 nm, y longitud del orden de 100 nm.
Con el uso de este experimento en 1992 Thomas Ebbaser y Pullickel M. Ajayan,
propusieron la producción a escala industrial de nanotubos de carbono.
3.2.2 ABLACIÓN LASER DE BLANCOS DE GRAFITO-METAL [4]
Este procedimiento es similar al de descarga de arco, se diferencia en el reemplazo de la
corriente eléctrica directa por pulsos de rayos láser. Esta forma de energía permite
producir gas caliente de carbono que alcanza temperaturas de 1200°C.
Se pueden utilizar los mismos catalizadores que se propone en el numeral anterior, sin
embargo, se reporta que los mejores de resultados de nanot ubos de pared sencilla bien
definidos se generan al utilizar h ierro (Fe), cobalto (Co) y Níquel (Ni).
16
La morfología de los SWNT producidos depende el tipo de láser y la temperatura de
reacción.
3.2.3 SINTESIS PIROLITICA [5]
Los procedimientos de descarga de arco y ablación láser muestran en sus resultados
experimentales ser los más conven ientes para la obtención de nanot ubos de carbono con
mayor pureza (es decir, mínima presencia de otro tipo de estructura amorfa u ordenada
de carbono), sin embargo por ser técnicas cuyo alto costo de producción y difícil
manipulación los hacen casi imposibles de ser escalables para una producción industrial.
Como so lución a esta dificultad, surgió el método de síntesis pirolítica. En este
procedimiento se utilizan catalizadores de carácter metálico como hierro (Fe) y
molibdeno (Mo), los cuales se f ija a superficies de silicio o alúmina. Esta preparación se
introduce en un horno tubular en el cual se puedan realizar conexiones y control para el
paso de f lujo de gas. Las fuentes de carbono que se utilizan en forma gaseosa para llevar
a cabo la reacción son hidrocarburos, so lventes y alcoholes orgán icos. La fuente de
carbono escogida se evapora y se deja fluir sobre la superficie dando paso al
crecimiento de los nanotubos de carbono. El gas que proporciona el carbono debe estar
a una temperatura que oscila entre 850°C a 1000°C.
Sin embargo, en esta forma de síntesis también hay formación de otras formas
nanoestructuradas como fullerenos, por lo cual se debe buscar una forma de aislamiento
de los nanotubos.
La morfología de los nanotubos de carbono de pared sencilla es descr ita como tubos
cuyo diámetro varia entre 1 y 2 nm, y su longitud se reportan en micrómetros.
17
3.2.4 DESPROPORCIONAMIENTO DE MONOXIDO DE CARBONO [6]
El flujo, sobre una superficie metálica, de una corriente gaseosa da paso a la formación
de una r ica variedad de nanoestructuras moleculares tales como fulerenos, nanocristales
y en particular nanotubos de pared sencilla.
Muchos metales de transición han sido utilizados para llevar a cabo la producción de
nanotubos de pared sencilla, sin embargo, mezclas metálicas compuestas de molibdeno
y cobalto (a diferentes proporciones molares) fijadas sobre una superficie de cuarzo,
exhiben la más alta selectividad a formar este tipo de material.
El procedimiento utiliza un reactor de horno tubular en la cual se calcina el catalizador
a una temperatura de 500°C. Posteriormente el catalizador es reducido con una corriente
de H2 a la misma temperatura de calcinación. El sistema es purgado después de la
calcinación y de la reducción con una corriente de argón o helio a 700°C. Por ultimo se
hace pasar una corriente de monóxido de carbono. El rango de temperatura para la
reacción puede variar de 700°C a 1000°C.
Los nanotubos formados presentan longitudes en escala micrometrica, y diámetros en
unidades nanométricas fijados por el diámetro de las partículas de catalizador.
3.3 S ELECC IÓ N DEL PROC EDIMIENTO
Los objetivos específicos del proyecto establecen los criterios de selección del
procedimiento a seguir para la síntesis de nanotubos de carbono de pared sencilla. Estos
criterios son:
• Fácil implementación del montaje exper imental, es decir, la ex istencia o fácil
adquisición de las materias primas en la Universidad de Los Andes, además
la existencia en el inventario de los equipos a utilizar.
• Bajos costos de operación.
18
• Obtención de material útil para la industria.
• Su base teórica permita proyectar el procedimiento a p lanta p iloto y a escala
industrial.
De acuerdo a los métodos de síntesis, si se utilizan los procedimientos de descarga de
arco y ablación láser se obtiene un material de alta pureza (baja o casi nula presencia de
otras formas de carbono), sin embargo, no cumple con los criterios de fácil
implementación, bajos costos de operación y no pueden ser escalados para una
producción industrial.
El procedimiento de síntesis pirolítica cumple casi en su totalidad con los criterios de
selección. La carencia, en el momento, de ferroceno como catalizador en el inventario
de reactivos de la Universidad de Los Andes no permite que este pueda ser puesto en
marcha.
Así, el procedimiento de desproporcionamiento de monóxido de carbono es el método
experimental seleccionado para la realización de este proyecto.
3.4 MÉTODOS DE CARACTERIZACION
Las prop iedades de los nanotubos de carbono se caracterizan por procedimientos tales
como:
• MICROSCOPIA ELECETRONICA DE BARRIDO [7]
El microscop io electrónico de barrido (SEM) es un instrumento que permite la
observación y caracterización superficial de materiales entregando información
morfológica del material analizado.
Este instrumento puede estar equipado con diversos detectores tales como: un detector
de electrones secundarios para obtener imágenes de alta resolución, un detector de electrones retrodispersados que permite la obtención de imágenes de composición y
19
topografía de la superficie y un detector de energía dispersiva que permite colectar los
rayos X generados por la muestra y realizar diversos análisis e imágenes de distribución
de elementos en superficies pulidas.
Este equipo genera un haz de electrones que choca la muestra a analizar. Un generador
de barrido es el responsable de producir el movimiento del haz, de manera que barra la muestra punto a punto. De la interacción entre los electrones incidentes con los átomos
que componen la muestra se generan señales, las cuales pueden ser captadas con detectores adecuados para cada una de ellas. El detector capta una señal y las convierte
en una señal electrónica que es proyectada en un tubo de rayos catódicos.
• MICROSCOPIA ELECTRONICA DE TRANSMISION [8]
A diferencia del microscopio anterior, este no explora superficies, por el contrario el
haz de electrones incidente atraviesa la muestra y la sombra de detalles finos o ultra-
estructura es capturada en una pantalla fosforescente con prop iedades de emisión de
luz, ubicada en la parte inferior de la co lumna.
El tener una adecuada preparación de la muestra da lugar a una excelente defin ición
de imagen. La muestra debe cortarse en capas finas, no mayores de un par de miles
de Å. Los microscopios electrónicos de transmisión pueden aumentar un objeto hasta un millón de veces.
• ESPECTROSCOPIA RAMAN [9]
La espectroscopia RAMAN es una técnica fotónica de alta resolución que
proporciona en pocos segundos información química y estructural de cualquier
material permitiendo así su identificación.
El análisis se basa en el examen de la luz dispersada por un material al incidir sobre
el un haz de luz monocromático. Una pequeña porción de la luz es dispersada
20
inelasticamente experimentando ligeros cambios de frecuencia que son
característicos del material analizado e independiente de la frecuencia de la luz
incidente. La luz dispersada que presenta frecuencias distintas a la de la radiación
incidente, es la que proporciona información sobre la composición molecular de la
muestra.
• DIFRACCION DE RAYOS X [10]
Los rayos-X son una forma de radiación electromagnética de elevada energía y
pequeña longitud de onda; del orden de los espacios interatómicos de los sólidos.
Cuando un haz de rayos-X incide en un material sólido, parte de este haz se dispersa
en todas direcciones a causa de los electrones asociados a los átomos o iones que
encuentra en el trayecto, pero el resto del haz puede dar lugar al fenómeno de
difracción de rayos-X, que tiene lugar si existe una disposición ordenada de átomos
y si se cumplen las condiciones que vienen dadas por la ley de Bragg que relaciona
la longitud de onda de los rayos-X y la distancia interatómica con el ángulo de
incidencia del haz difractado. Si no se cumple la ley de Bragg, la interferencia es de
naturaleza no constructiva y el campo del haz difractado es de muy baja intensidad.
3.5 PRO PIEDADES MEC ÁNICAS Y EL EC TRIC AS
Los estudios realizados a los nanotubos de carbono han demostrado que sus
extraordinarias propiedades eléctricas y mecánicas son consecuencia de los tipos de
enlaces de carbono, su naturaleza casi unidimensional y su simetría cilíndrica4.
Mediciones sobre prop iedades mecánicas de este material reportan: Modulo de
elasticidad (Young) en el intervalo de 1-1.5 TPa, lo que lo hace un material r ígido, es
decir, frente a esfuerzos de deformación muy intensos, son capaces de deformarse
notablemente y de mantenerse en un régimen elástico. . También se han reportado
4 BERNHOLC, J. Nanot ubes. So lid state & materials science. 1997.
21
características de flexibilidad, elasticidad, deformabilidad plástica molecular, y de ser
un material m uy liv iano 5.
Las propiedades eléctricas de los nanot ubos están determinadas por el diámetro y
quiralidad de la molécula. Estas características determinan la naturaleza metálica o
semiconductora de los nanot ubos de carbono6. Sin em bargo, aun no es posible sintetizar
este material controlando la nat uraleza eléctrica del material nanoestructurado.
Los nanotubos que presentan diámetro entre 0.5-1.5 nm, se consideran angostos y se
facilita la conducción de electrones. Cabe recordar que el estudio de las prop iedades
eléctricas involucra el manejo de conceptos de tipo cuántico.
Usos de nanotubos en diferentes materiales como polímeros, muestran mejoras en la
conducción de los mismos. Est udios realizados en la universidad de Akron, comprueban
que la mezcla de nanot ubos organ izados o al azar en diferentes concentraciones con
poliestireno, hacen que el material aumente su capacidad conductora sin alterar el
material [21].
Los nanotubos que presentan diámetro por encima de los 1.5 nm, se consideran anchos,
la conducción de electrones en su interior es mas dispersa, sin embargo, estos son
utilizados para el reforzamiento de polímeros y metales. En la universidad de Shinshu,
en Japón, se demostró que la adición de nanotubos de carbono al 1wt% en una matriz
de po lietileno incrementa su modulo de elasticidad y su resistencia mecánica en 35-42%
y 25% respectivamente. [22]
5 Nanotubos de Carbono . Fisica. Recuperado el 25 de febrero d e 2007 de la página: http://aportes.educ.ar/fisica/nucleo -teorico/ estado-del-art e/nanociencia-y-nanotecnologia/nanotubos_de_carbono_y_otros_n.php 6 MARUYAMA, S. Low temperature synthesis of high purity single walled carbon nanotubes from alcohol. Chemical Physical Letters. 2002. P 229-234.
22
3.6 PRO DUCC ION INDUS TRIAL DE NANO TUBOS DE CARBONO DE
PARED SENCILLA
La nano industria se orienta a la utilización de materia prima cuya escala de magnitud
estructural varia entre 1 y 100 nanometros. Entre estos materiales se encuentran los
fullerenos, nanocristales y los nanot ubos de carbono de pared múltiple y de pared
sencilla.
Entre las industrias que utilizan este tipo de material se encuentra el área automotriz,
que en la actualidad ofrece veh ículos con refuerzos de frenos o piezas fabricadas con
nanotubos de carbono, cien veces más resistentes que el acero y seis veces más livianos
que el aluminio. En nanoelectrónica, se fabr ican nanotransistores y dispositivos
semiconductores cuyo tamaño no supere los 100 nanometros. También son utilizados
como filtros de micropartículas de materiales contaminantes y en la generación de
celdas de combustible de hidrogeno 7.
Los nanotubos producidos a nivel industrial son producidos actualmente en plantas
como Thomas Swan, esta empresa se dedica a la fabricación de nanotubos de carbono.
Su producción mensual se acerca a los 6 kg mediante el procedimiento de síntesis
pirolítica8. Otras compañías como Bayer MaterialScience poseen una planta piloto con
la capacidad anual de 30 toneladas, y entre sus planes esta ampliar la producción a 3000
toneladas por año. Existen otras fábricas como Arkema, Idazo Space Material y
NanoDynamics, quienes ofrecen nanotubos de alta pureza, para ser utilizados en
materiales de refuerzo como fibras de graf ito o acero [20].
7 Nano mat eriales y cont amin ación ambiental. Juan Migu el Castagnino. Recup erado el 15 de febrero
de 2007 d e l a p agina: http://www.sci elo.org .ar/pdf/abcl/v40n1/v40n1a01 .pdf 8 Thomas Swan . Recuperado el 15 de febrero d e 2007 de la p agina: http://www.tho mas -swan .co .uk/
23
4. METODO LOGIA EXPERIMENTAL
El desarrollo experimental de este proyecto se divide en tres partes fundamentales:
Primero se debe llevar a cabo la preparación del catalizador, lo cual es un proceso
determinante en la fijación de uno de las variables del diseño experimental a medir
como lo es la concentración o cantidad de catalizador a utilizar para llevar a cabo la
síntesis de nanot ubos de carbono de pared sencilla. En este caso, para la
experimentación se utilizara sales inorgánicas: molibdato de amonio y carbonato de
cobalto.
En la segunda etapa experimental se realiza el proceso de síntesis, utilizando el
monóxido de carbono como fuente de carbono para la formación del material. Este
procedimiento termina con la realización de una prueba cualitativa de ver ificación de la
reacción. En esta segunda etapa se fija la segunda variable de diseño exper imental, la
temperatura de síntesis de nanotubos de carbono de pared sencilla.
Por ultimo, en la tercera etapa se lleva a cabo la caracterización del material. Esta
incluye métodos de espectroscopia de infrarrojo para determinar la presencia de
material compuesta de enlaces químicos covalentes sencillos entre átomos de carbono;
difracción de rayos X, la cual permite determinar la presencia de nanoestructuras no
ordenadas, y el diámetro de la misma; y por último, microscopia electrónica de barrido,
a que permite conocer la morfología del material estructurado.
Para determinar la influencia de las de variables (concentración de catalizador y
temperatura de reacción) se plantea un análisis factorial. En la tabla 1 se definen los
factores y niveles de la experimentación y en la tabla 2 la organización de los
experimentos a realizar.
24
Tabla 1. Definición de factores y niv eles en la síntesis de nanotubos d e carbono de pared sencilla. FACTOR A: CANTIDAD DE
CATALIZADOR POR ÁREA (g/cm2)
FACTOR B: TEMPERATURA
DE REACCION (°C) 0.06 800
0.052 850 0.042 900 0.032 950
NIVELES 0.022
Tabla 2. Matriz de experi mentación .
CANTIDAD DE CATALIZADOR POR ÁREA (g/cm2)
TEMPERATURA DE REACCION (°C)
800 850 900
0.06
950 800 850 900
0.052
950 800 850 900
0.042
950 800 850 900
0.032
950 800 850 900
0.022
950
25
4.1 PREPARAC IÓ N DEL CATALIZADOR
Según la selección del método de desproporcionamiento de monóxido de carbono, se
debe utilizar una superf icie metálica compuesta de molibdeno y cobalto. El
procedimiento de creación de esta área se describe en la f igura 5.
Figura 5 . Diagrama d e bloques para el p rocedi miento de p reparación del catalizador.
4.2 C ARAC TERIZAC ION DEL CATALIZADOR
Para conseguir la formación de nanotubos de carbono de pared sencilla es necesario
asegurar que el catalizador debe ser una mezcla de metales. Esto se puede determinar
por espectroscopia de infrarrojo y difracción de rayos X.
Preparar una mezcl a d e molibdato d e amonio y carbon ato de cobalto en una relación molar de 3:1
Macerar la mezcla h asta obt ener un t amaño de p artícula uni forme
Fijar l a mezcla macerad en un a superfici e d e cu arzo, y ubicar esta sup erfici e d entro del tubo d e cuarzo.
Ubicar el tubo de cu arzo dentro del horno tubular.
Calent ar l a muestra a 100°C durante 10 minutos.
Calcinar el catalizador a 500°C durant e 15 minutos.
Dejar en friar hasta temperatura ambi ente dejando fluir un a corrient e d e argón.
Conectar corriente de H2 a 500°C durant e media hora
Termin ar el p roceso, dejando pasar una corri ente de argón a 700°C durant e 15 minutos.
26
4.2.1 ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO
La espectroscopia de infrarrojo permite establecer señales de los enlaces químicos
presentes en una muestra. Las características químicas del catalizador deben mostrar
señales de óxidos de cobalto y molibdeno y los metales de los mismos.
En la literat ura se reportan espectros para óxidos de cobalto y molibdeno que se
muestran en la figura 6 y 7.
Figura 6 . Esp ectro infrarrojo reportado en Espectral D atabase for Organi c Co mpounds para el o xido de
Cobalto [11]
Figura 7 . Esp ectro infrarrojo reportado en Espectral D atabase for Organi c Co mpounds para el o xido de
Molibdeno [12]
27
En la tabla 3 y 4 se muestran descritos los picos mas importantes para el oxido de
cobalto y el oxido de molibdeno obtenidos de los espectros infrarrojos teóricos.
Tabla 3. Señales del espect ro in frarrojo del o xido de cob alto[11].
Longitud de Onda (cm-1) Transmitancia 574 44 660 52 722 79
Tabla4. Señal es del esp ectro in frarrojo d el o xido d e molibdeno[12].
Longitud de Onda (cm-1) Transmitancia 482 36 602 8 607 8 819 30 875 10 991 29
1367 74
4.2.2 DIFRACCIÓN DE RAYOS X
La difracción de rayos X, permite determinar la presencia de estructura cristalina del
catalizador. En la literat ura se puede encontrar el difractograma teórico esperado
para el oxido de cobalto. No se encontró el reporte teórico del difractogrmama
correspondiente para el oxido de molibdeno. En la figura 8 se muestra el
difractograma esperado y en la tabla 5 las señales de mayor intensidad.
Figura 8 . Di fractograma report ado en RRUF para el o xido de cobalto [13]
A
B
C D
28
Tabla 5. Señales del di fractograma del oxido de cob alto [13]. PICO ANGULO
A 25.190 B 38.97 C 54.154 D 66.73
4.3 PROCEDIMIENTO DE SINTESIS DE NANOTUBOS DE CARBONO DE
PARED SENCILLA
La fuente de carbono utilizada para la formación de nanotubos de pared sencilla es el monóxido de carbono. El procedimiento a seguir, después de la preparación del
catalizador se muestra en la figura 9.
Figura 9. Diagrama de flujo para la síntesis de nanotubos de carbono de p ared sen cilla.
Después de purgado el sistema con argón, se fija la t emp eratura del ho rno a la temperatura d e reacción establecida.
Cuando la t emp eratura sea establ e, conectar la corriente de CO a la entrada del tubo de silicio.
Dejar fluir CO a una razón d e 0 .25 mL/s, durante el tiempo d e reacción fijado . Para el caso de este proy ecto esta variable se determinó en 1 hora.
Terminado el tiempo cerrar el flujo d e CO y conectar el flujo de argón.
Dejar en friar hasta temperatura ambiente.
Extraer las lámin as d e cuarzo, recoger y pesar el material.
Separar 50 mg y disolverlos en 50 ml d e cloro formo para veri ficar la solubilidad en el mismo .
29
4.4 C ARAC TERIZAC ION DE NANO TUBO S DE C ARBONO DE PARED
S ENC ILLA
El procedimiento de caracterización se inicia al terminar las pruebas de solubilidad del
material obtenido al finalizar el procedimiento expuesto en la f igura 9. Se utilizan tres
técnicas para la caracterización : espectroscopia de infrarrojo, difracción de rayos-X y
microscopia electrónica de barrido.
4.4.1 ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO
La espectroscopia de infrarrojo permite establecer señales de los enlaces químicos
presentes en una muestra. La característica química del material nanoestructurado
debe mostrar señales de enlace covalente sencillo entre átomos de carbono.
En la literatura se reporta que las señales de este tipo de en laces se detectan en la
zona de 1200 a 1700 cm-1, correspondientes a tensiones de estrechamientos y
estiramientos característicos del enlace covalente C-C [14].
4.4.2 DIFRACCION DE RAYOS X [15]
La difracción de rayos X, permite determinar la no presencia de una estructura
cristalina organizada del carbono. Esta técnica de caracterización también permite
calcular el diámetro del material nanoestructurado, mediante el uso de la formula de
Scherrer (Ver ecuación 1).
(1)BB
tθλ
cos9.0
=
Donde t es el diámetro de la partícula, λ es la longitud de onda del haz incidente, B
es el ancho medio de la banda de difracción, y θB es la mitad del ángulo de Bragg.
30
4.4.3 MICROSCOPIA ELECTRONICA DE BARRIDO
Utilizando el microscopio electrónico de barrido P HILIP S XL30 ESEM se obtienen
micrograf ías que permiten conocer la morfología del material nanoestructurado,
permitiendo medir la longit ud y diámetro de lo s nanotubos.
Los detectores con los que cuenta este equipo son catodoluminiscencia, energía
retrodispersada (Back Scattered), ambiental, rayos X por energía dispersiva y elect rones
secundarios.
Figura 10. Imagen del mi croscopio electrónico d e b arrido PHILIPS XL30 ESEM
31
5. RES ULTADO S
A continuación se muestran lo s resultados obtenidos durante la realización de la
síntesis de nanotubos de carbono de pared sencilla.
5.1 PRUEBA DE SOLUBILIDAD
Para verificar la solubilidad del material obtenido, se separó 50 mg de cada una de
las experimentaciones realizadas (ver tabla 2) y se disolvió en 50 mL de cloroformo.
En cada prueba de solubilidad se esperaba la formación de dos fases: una só lida
correspondiente al catalizador no soluble en el so lvente orgánico, y una liquida de
color gris oscura, muestra del carbón disuelto en el cloroformo. La tabla 6 muestra
los resultados obtenidos.
Tabla 6. Resultados de la experimentación de la síntesis d e n anotubos de carbono d e pared sencilla.
CANTI DAD CATALI ZA DOR POR
AREA (g/cm2)
TEMPERA TURA DE REACCIÓN (°C)
(tiempo de reacción: 1 hora )
SOLUB LE EN CLOR OFORMO
800 Si 850 Si 900 No
0.06
950 No 800 Si 850 Si 900 No
0.052
950 No 800 Si 850 No 900 No
0.042
950 No 800 No 850 No 900 No
0.032
950 No 800 No 850 No 900 No
0.022
950 No A partir de los resultados presentados, se observa que la producción de nanot ubos de
carbono de pared sencilla no se favorece a temperaturas altas y con bajas concentraciones de catalizador, lo cual dejo al proyecto con un número m uy poco de
32
muestras a caracterizar. Las posibles causas de esta baja producción son altas
temperaturas (que favorecen la combustión y no el desproporcionamiento del monóxido
de carbono) y un tiempo de reacción muy corto.
A raíz de esto se decidió corregir la escasez de material sintetizado agregando dos
nuevas exper imentaciones, cuyas condiciones y resultados ante la prueba de solubilidad
en cloroformo se muestran en la tabla 7.
Tabla 7. Resultados de la experi mentación de la síntesis de n anotubos de carbono d e p ared sencilla. CANTI DAD
CATALI ZA DOR POR AREA (g/cm2)
TEMPERATURA DE REAC CIÓN (°C)
TIEMPO DE REACCION (h)
SOLUB LE EN CLOROFOR MO
0.06 700 2 Si 0.052 700 4 Si
5.2 S ELECC IÓ N DE LAS MUES TRAS A C ARAC TERIZAR
La prueba de so lubilidad del material obtenido en cloroformo es una forma de
determinar si la reacción se llevo a cabo. Las muestras escogidas para ser
caracterizadas, son aquellas mostraron resultados positivo en la solubilidad del
solvente orgánico escogido. Estos son :
• Concentración del catalizador : 0.06 g/cm2; Tiempo de reacción: 1 hora; Temperatura de reacción : 800°C.
• Concentración del catalizador: 0.052 g/cm2; Tiempo de reacción: 1 hora; Temperatura de reacción : 800°C.
• Concentración del catalizador : 0.06 g/cm2; Tiempo de reacción: 2 hora; Temperatura de reacción : 700°C.
• Concentración del catalizador : 0.06 g/cm2; Tiempo de reacción: 4 hora; Temperatura de reacción : 700°C.
5.3 ESPEC TRO SCOPIA INFRARRO JO Siguiendo la metodología mencionada para la caracterización del catalizador y el material nanoestruct urado se realizó análisis de espectroscopia de infrarrojo. A continuación se presentan lo s espectros obtenidos.
33
5.3.1 C ATALIZADO R
Figura 11 . Esp ectro in frarrojo para el catalizador
34
5.3.2 NANOTUBOS DE CARBONO DE PARED SENC ILLA
Figura 12 . Es pectro infrarrojo para los nanotubos de carbo no de pa red sencilla
35
5.4 DIFRACCION DE RAYO S X
Siguiendo la metodología mencionada para la caracterización del catalizador y el
material nanoestruct urado se realizó análisis de difracción de rayos X. A
continuación se presentan lo s difractogramas obtenidos.
5.4.1 C ATALIZADO R
En la figura 13, se resaltan lo s picos de mayor intensidad, y en la tabla 8 se m uestran
los ángulos correspondientes a estas señales.
Figura 13 . Di fractograma d el catalizador.
Tabla 8. Ángulo de los picos d e mayor intensidad en el di fractograma del catalizador. PICO ÁNGULO
A 25.908 B 36.94 C 53.39 D 66.497
0100020003000400050006000700080009000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2(thetha/theta)
Inte
nsid
ad
A
B C
D
36
5.4.2 NANOTUBOS DE CARBONO DE PARED SENC ILLA
En la figura 14 y 15 se muestran lo s difractogramas obtenidos para el material
nanoestructurado. En la tabla 9 se m uestran los ángulos correspondientes a las
señales de mayor intensidad.
A
Figura 14 . Di fractograma d e nanotubos de carbono sintetizados a 700°C, con 0.06g/cm2 de catalizador y
2 horas de reacción.
Figura 15 . Di fractograma d e nanotubos de carbono sintetizados a 700°C, con 0.06g/cm2 de catalizador y
4 horas de reacción.
0500
10001500200025003000350040004500
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2(Theta /Theta)
Inte
nsid
ad
0500
10001500200025003000350040004500
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2(Theta /Theta)
Inte
nsid
ad
A C
B
37
Tabla 9. Ángulos pertenecientes a las señ ales de mayor intensid ad en el difractograma de los n anotubos de carbono.
PICO ÁNGULO A 35 B 37 C 62
5.5 C ÁLCULO DEL DIÁMETRO APROXIMADO DE LO S NANOTUBOS
DE C ARBO NO DE PARED S ENCILLA
Utilizando la ecuación (1) y los datos de las figuras 14 y 15 y la tabla 9 es posible
calcular el diámetro del material nanoestructurado obtenido mediante el
procedimiento de desproporcionamiento de monóxido de carbono. En la tabla 10 se
muestra lo s resultados.
Tabla 10. Diámetro de los nanotubos de carbono d e p ared sen cilla
PICO ÁNGULO DIÁMETRO (nm) A 35 1.7 B 37 1.73 C 62 1.8
5.6 MICROSCO PIA ELEC TRONIC A DE B ARRIDO
Siguiendo la metodología mencionada para la caracterización del catalizador y el
material nanoestructurado se tomaron micrografías del material utilizando un
microscopio electrónico de barr ido. A continuación se muestran las imágenes.
38
Figura 16. Micrografía del mat erial sintetizado a 700°C, 0 .06 g/cm2 y 2 horas de reacción.
Figura 17. Micrografía del mat erial sintetizado a 700°C, 0 .06 g/cm2 y 2 horas de reacción.
39
Figura 18. Micrografía del mat erial sintetizado a 700°C, 0 .06 g/cm2 y 4 horas de reacción.
Figura 19. Micrografía del mat erial sintetizado a 700°C, 0 .06 g/cm2 y 4 horas de reacción.
40
Figura 20. Micrografía del material sintetizado a 800°C, 0.06 g/cm2 y 1 hora de reacción.
Figura 21. Micrografía del material sintetizado a 800°C, 0.06 g/cm2 y 1 hora de reacción.
41
Figura 22. Micrografía del mat erial sintetizado a 800°C, 0 .052 g/cm2 y 1 hora de reacción.
Figura 23 . Microg rafía del material si nteti za do a 800°C, 0.052 g/cm2 y 1 hora de reacción.
42
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS
En la búsqueda de un procedimiento de síntesis de nanotubos de carbono de pared
sencilla que cumpliera con características de fácil operación, bajos costos y obtención
de material que fuera útil en la industria, se encontró el desproporcionamiento de
monóxido de carbono utilizando partículas de molibdeno y cobalto como catalizadores.
Después de realizadas las corridas de síntesis se realizaron pruebas de la solubilidad de
las muestras en cloroformo, ya que si hay especies con carbono estas debían formar una
solución uniforme gris oscura y una segunda fase sólida correspondiente al catalizador.
Como se ven en los resultados en la tabla 6, por debajo de 0.042 gramos de catalizador
por área, no se presenta so lubilidad de la muestra reco lectada en el cloroformo, esto indica que no se llevo a cabo la reacción ya que la cantidad de catalizador no fue
suficiente para que se diera inicio a la radicalización del monóxido de carbono, o el
tiempo de reacción fue muy corto.
También se observa, que al contrario de lo que se reportaba [16] las temperaturas
optimas de obtención no son 900˚C y 950˚C. En este intervalo de temperatura se
presenta la combustión del monóxido de carbono, si no hay la presencia de cantidad
suficiente de catalizador, o el tiempo de reacción muy corto. El rango de operación para
la radicalización del CO se determinó entre 700˚C a 800˚C.
Por esta razón se planteó la realización de dos corridas extras con la máxima cantidad
de catalizador, con una temperatura de operación de 700°C y el aumento del tiempo de
reacción (2 h y 4h).
Estas muestras mostraron ser más so lubles en cloroformo ya que la cantidad de fase
sólida era menor que las observadas en un tiempo de reacción de una hora y mayor
temperatura.
43
En la figura 11, se muestra el espectro infrarrojo tomado para el catalizador después de
ser reducido por la corriente de hidrogeno. Se describe al catalizador como una mezcla
de óxidos de cobalto y molibdeno y algunos residuos de sales de lo s mismos metales
que no cambiaron. Las sales inorgánicas presentan señales entre longit udes de 600 –
900 cm-1. En el caso del espectro se visualizan dos señales significativas en 670 y 871
cm-1. Los óxidos presentan señales entre 950 y 1500 cm-1. Un pico ancho se puede
visualizar en esta zona, comprobando que el catalizador presenta las condiciones
químicas necesarias para favorecer la reacción de desproporcionamiento. Las señales de
enlace C-C se observan en el rango de 1150 a 1800 cm -1[14].
Al comparar la figura 6 y 7, las cuales muestran lo s espectros infrarrojos teóricos de los
óxidos de cobalto y molibdeno; con la f igura 10, se observan que se obtuv ieron las
señales esperadas.
En la figura 12, aun se pueden visualizar señales de sales y óxidos, sin embargo, hay
presencia de bandas en la zona de 1200 a 1700 cm-1, correspondientes a tensiones de
estrechamientos y estiramientos característicos del enlace covalente C-C. Por tanto, en
el material hay presencia de carbono.
Posteriormente se tomaron los espectros de difracción de rayos X tanto del catalizador
como de los nanotubos. Para el catalizador lo s ángulos esperados por la presencia del
oxido de cobalto (ver tabla 5), son concordantes con los obtenidos en la caracterización
del catalizador. La diferencia en lo s valores se atribuye en la presencia de oxido y sal de
molibdeno.
La figuras 14 y 15, son espectros típicos de material nanoestruct urado, ya que no
presenta una estructura cristalina defin ida. Como comparación se presenta el espectro
de grafito (figura 24), otra forma de hibr idación del carbono que posee una estructura
cristalina definida. Se diferencian en el ancho de lo s picos, en la definición de los
mismos y en los rangos de intensidad. Para un material no estructurado como los
44
nanotubos de carbono de pared sencilla, se espera baja intensidad, y mayor cantidad de
picos poco defin idos y anchos.
0
10000200003000040000
500006000070000
80000
0 10 20 30 40 50 60 70 80
2(Theta/theta)
Inte
nsid
ad
Figura 24. Difractograma de una fo rma estructurada del carbono: grafito
Con los difractogramas obtenidos para el material nanoesctructurado fue posible
determinar el diámetro esperado para los nanot ubos de carbono. Los valores calculados
se muestran en la tabla 7. Nanotubos con este diámetro se consideran anchos y las
propiedades mecán icas son las que mejor provecho se puede obtener al utilizar este
material.
Por último, las muestras se llevaron a ser analizadas por microscopia electrónica de
barrido. En esta última etapa no se realizaron determinaciones cuantitativas exactas del
material debido a la baja resolución del equipo. La escala máxima utilizada aún no
permite detallar el material de forma completa, só lo puede ser observada la presencia de
material nonoestructurado, cuya longitud podr ía suponerse de escala micrométrica.
45
7. CONCLUSIONES La técnica de desproporcionamiento de monóxido de carbono utilizando partículas de
cobalto y molibdeno permite la síntesis de nanotubos de carbono de pared sencilla,
utilizando un montaje experimental fácil de manejar y controlar obteniendo buenos
resultados.
Los resultados mostrados en este trabajo de experimentación permiten asegurar que los
nanotubos de carbono de pared sencilla se sintetizan a temperaturas que abarcan el
rango de los 700 a 800°C, con rangos de concentración de catalizador fijado sobre las
láminas de cuarzo entre 0.06 y 0.052 g/cm 2. El tiempo de reacción con mejores
resultados se encuentra entre 2 y 4 horas.
El diámetro y longit ud de los nanotubos obtenidos permite clasif icar los como aptos para
el aprovechamiento de sus prop iedades mecánicas. Entre los posibles usos: el
mejoramiento de la elasticidad, resistencia y peso de materiales poliméricos, fibras de
vidrio y carbono. Ejemplo de este tipo de usos ya se observa en la industria automotriz.
El proceso experimental podría ser fácilmente escalable, con el fin de buscar una
producción industrial de este material. El valor agregado que cause la incorporación de
los nanot ubos a ciertos productos incrementaría ganancias, y permitiría la financiación
en la investigación sobre este tipo de estruct uras.
Se debe realizar mejoras en la caracterización por microscop ia electrónica de barrido, el
equipo que debe utilizarse debe tener la capacidad de resolución para alcanzar escalas
de 1-2 nm. Con esta resolución es posible realizar mediciones de longitud y diámetro
sobre las micrograf ías del material nanoestructurado, así como la ver ificación de la
conformación de una sola pared de los nanotubos.
46
8. REC OMENDACIONES
• Se recomienda continuar con la exploración sobre la síntesis de nanot ubos de
carbono de pared sencilla planteando otros rangos de operación de temperatura,
tipo de catalizador, concentración de catalizador y tiempo de reacción.
• Agregar al estudio de las formas de síntesis de nanot ubos otros factores que
pueden ser determinantes en el procedimiento exper imental, tal como la
medición de los flujos de los gases utilizados en el procedimiento. (Hidrogeno,
argón y monóxido de carbono).
• Mejorar el montaje experimental, añadiendo un sensor de dióx ido de carbono
(subproducto de la reacción de desproporcionamiento de monóxido de carbono)
que permita controlar el avance de la reacción en el horno tubular.
• Se debe mejorar la herramienta de caracterización por microscopia electrónica
de barrido, con el fin de determinar de forma correcta las dimensiones de
longitud y diámetro de lo s nanot ubos de carbono de pared sencilla.
47
9. REFER ENCIAS [1] Formas Aleotrópicas del Carbono. Recuperado el 3 de febrero de 2007 de la página web: http://www.oviedo.es/personales/carbon/estructuras/estructuras.htm. [2] BERNHOLC, J. Nanot ubes. So lid state & materials science. 1997. [3] XING, Z. The structre relaxtion of carbon nanotube. Physica B. 304. 2001. P 86-90. [4] ESTRUCTURA Y SINTESIS DE NANOTUBOS DE CARBONO. Tesis digitales UNM SM. Alcca Quispe Fernando. Recuperado el 4 de marzo de 2007 de la página: http://sisbib.unmsm.edu.pe/BibVirt ualData/Tesis/Basic/alcca_qf/cap4.PDF [5] SU, M. A scalable CVD method for the synthesis of single-walled carbon nanot ubos with high catalyst productivity. Chemical physical letters. 322. 2000. P 321-326. [6] KITIYANAN, B. Controlled production of single-wall carbon nanotubes by catalytic decomposition of CO on bimetallic Co-Mo cataly ist. Chemical physical letters. 317. 2000. P 407-503. [7] ZEGARRA, M. Ap licaciones de microscop ia electronica de barrido (SEM) y análisis de fractura de una aleación de Cu-10Al. Facultad de ciencias f isicas y matemáticas. Universidad de Chile. [8] Microscop ia electrónica de transmisión. Universidad Javeriana. Recuperado el 15 de febrero de 2007 de la página: http://www.javeriana.edu.co /Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/celular/microelectrans.htm [9] Fundamentos de espectroscopia RAMAN. Recuperado el 15 de febrero de 2007 de la página: http://www.tdx.cbuc.es/TESIS_UPC/AVAILABLE/TDX-0207105-105056//03Rpp03de11.pdf [10] Difracción de rayos X. Servicio centrales de apoyo a la investigación. Recuperado el 15 de febrero de 2007 de la página: http://www.uma.es/scai/servicios/xrd/xrd.html. [11] CoO. Espectral Database for organic compounds. Recuperado el 28 de mayo de 2007 de la página: http:\ //www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/cgi-bin/direct_frame_top.cgi?lang=eng [12] MoO3. Espectral Database for organic compounds. Recuperado el 28 de mayo de 2007 de la página: http: //www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/cgi-bin/direct_frame_top.cgi?lang=eng [13] CoO. RRUF. Recuperado el 28 de mayo de 2007 de la página: http://rruff.info/index.php
48
[14] UNIVERSITY OF REGINA. Chemesty 310 Data Book. Deparment of chemistry and biochemestry. 2003. [15] VASQUEZ, C. Análisis estructural de nanocompositos Ge/ZnO. Sociedad mexicana de ciencia de superfices y de vacío. 16. Jun io 2003. [16] NIKOLAEV, P. Gas-phase catalytic growth of single-walled carbon nanotubes from carbon monoxide. Chemical physical letters. 313. 1999. P91-97. [17] LUPO, F. RODRIGUEZ-M ANZO, J.A. Pyrolytic synthesis of long strands of large diameter single-walled carbon nanotubes at atmospheric pressure in the absence of sulphur and hydrogen. Chemical Physical Letters. 2005. P 384-390. [18] MAYNE, M. GROBERT, N. Pyrolitic production of aligned carbon nanotubes from homogeneously dispersed benzene-based aerosol. Chemical Physical Letters. 2001. P 101-107. [19] MARUYAMA, S. Low temperature synthesis of high purity single walled carbon nanotubes from alcohol. Chemical Physical Letters. 2002. P 229-234. [20] FLOREZ, Laura. Nanocompuestos, materiales del presente. Tecnologia del plastico. 2007. 22. P 32-37. [21] DAI, H. Single-wall nanotubes produced by metal-catalyzed disproportionantion of carbon monoxide. Chemical physical letters. 260 (1996) P 471-475. [22] NATUSKI, T. Prediction of elastic proper ities for single-walled carbon nanotubes. Carbon, 42. (2004). P 35-49.